能原樁工程應(yīng)用及其彈性性狀分析答辯人：楊洪磊指導(dǎo)教師：賈蒼琴答辯日期：2016年1月工程技術(shù)學院地基處理技術(shù)課程答辯1能源樁概述匯報綱要一彈性分析二定義技術(shù)原理優(yōu)勢無約束條件下溫度效應(yīng)單樁樁側(cè)荷載約束效應(yīng)單樁樁端土體約束效應(yīng)總結(jié)和討論三2一、能源樁概述

地源熱泵系統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)是利用淺層地能進行供熱制冷的環(huán)保能源利用系統(tǒng)。地源熱泵系統(tǒng)利用地下土壤巨大的蓄熱蓄冷能力，冬季地源把熱量從地下土壤中轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)，夏季再把地下的冷量轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)，一個年度形成一個冷熱循環(huán)系統(tǒng)。3一、能源樁概述

地源熱泵兩大缺點占地面積大造價昂貴4一、能源樁概述

地源熱泵樁基礎(chǔ)能源樁能源樁如果在建筑物建造時，直接將地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器的塑料換熱管埋設(shè)在建筑物的混凝土樁基中，使其與建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合，這樣就成為一種新型的地埋管換熱器，稱為樁基埋管地熱換熱器，也稱作能源樁。5一、能源樁概述

能源樁澆筑現(xiàn)場6一、能源樁技術(shù)原理

7一、能源樁樁型能源樁樁型主要有灌注樁、預(yù)制樁、鋼樁和攪拌樁，應(yīng)用最廣泛的是灌注樁*預(yù)制樁：預(yù)制樁在運輸、打入過程中容易對傳熱系統(tǒng)造成損壞。*鋼樁：鋼樁具有很好的熱傳導(dǎo)性能，但鋼管樁本身的造價太高。*攪拌樁：攪拌樁熱傳導(dǎo)效率較差。*灌注樁：灌注樁具有較高的熱傳導(dǎo)效率和較大的熱量存儲能力。8一、換熱管形式

能源樁中的換熱管主要單U型管、雙U型管、W型管、并聯(lián)三U型管和螺旋管。目前，在國內(nèi)外的應(yīng)用中，樁基換熱管主要采用U型或W型的布管技術(shù)9一、能源樁的優(yōu)勢能源樁較傳統(tǒng)管埋能源熱泵技術(shù)的優(yōu)勢經(jīng)濟熱傳遞效率高節(jié)省用地面積能量樁系統(tǒng)，采用樁基埋管形式而不需要單獨鉆孔，比豎直埋管形式換熱系統(tǒng)節(jié)省約40%～70%的費用。熱管安裝在建筑物樁基內(nèi)，換熱管與樁基混凝土融為一體，擴大了換熱管與周圍土壤的熱交換面積也增強熱交換效率。樁基埋管直接埋設(shè)在構(gòu)建物的下面，節(jié)省用地面積，且施工進度較一般的豎直埋管形式要快。10二、溫度作用下彈性性狀分析

為了揭示溫度作用對地熱樁性能的影響，建立有限元數(shù)值模型，其中：*能源樁的初始溫度設(shè)為20℃，樁身溫度變化由20℃升溫到40℃；*能源樁樁端土體約束邊界設(shè)定有土、無土兩種情況；*能源樁側(cè)荷載約束條件設(shè)定樁側(cè)荷載恒定（σcx

=125kPa）、沿

深度線性增長（σcx=Kγz）兩種情況；*樁側(cè)—土接觸面摩擦系數(shù)取u=0.3。11二、溫度作用下彈性性狀分析

在升溫過程中軸力沿深度分布在升溫過程中側(cè)摩阻力沿深度分布12二、溫度作用下彈性性狀分析

*升溫變化將引起樁身軸力和樁側(cè)摩阻力的產(chǎn)生，且軸力呈對稱分布，側(cè)摩阻力呈反對稱分布；*隨著溫度的升高，同一深度產(chǎn)生的軸力和側(cè)摩阻力變大；*樁身的最大軸力出現(xiàn)在樁體的中部，在樁身中部以上為負摩阻力，在樁身中部以下為正摩阻力。1、無約束條件下單樁的溫度效應(yīng)13二、溫度作用下彈性性狀分析

*樁身最大軸力明顯下降，降幅達60%以上，同時樁側(cè)正、負摩阻力的大小也降低，降幅達50%左右；*最大軸力的位置向下偏移，樁側(cè)摩阻力的中性點位置向下偏移。2、單樁樁側(cè)荷載約束效應(yīng)14二、溫度作用下彈性性狀分析

*下臥土層使得樁身最大軸力位置向上偏移，且樁身最大軸力值也有所減小；*樁端下臥層使得樁側(cè)摩阻力的中性點位置有所上移，接近樁端附近的正摩阻力也有所降低；*以上影響效應(yīng)均不明顯3、單樁樁端土體約束效應(yīng)22三、討論

1、對上述能源樁模型的討論*能源樁模型沒有考慮上部荷載對樁體的影響，也沒有考慮熱脹冷縮導(dǎo)致的應(yīng)變對樁體的影響；*能源樁模型沒有考慮土體的彈塑性特征和樁側(cè)—土接觸面非線性特點；*能源樁運行對樁體的溫度效應(yīng)隨著季節(jié)氣候的變化，會產(chǎn)生升溫與降溫的循環(huán)作用，而此模型并沒有考慮升溫—降溫循環(huán)的周期性作用效應(yīng)。2、對能源樁力學特性的討論*由于熱能的傳遞使地基內(nèi)部溫度場發(fā)生變化，從而改變樁周土體的性質(zhì),樁身混凝土產(chǎn)生溫度應(yīng)力。對各種建筑下的樁基礎(chǔ)，樁體受到上部荷載作用，使樁、地基中產(chǎn)生應(yīng)力場和位移場，而熱交換過程中應(yīng)力場和位移場會因溫度場的變化而改變。同時，土體在附加應(yīng)力的作用下會產(chǎn)生固結(jié)，使土體中的孔隙水排水，樁—土系統(tǒng)產(chǎn)生沉降。因此，能源樁的工作過程是一個應(yīng)力場—位移場—溫度場—滲流場—時間場相互耦合的問題，是一個復(fù)雜的熱、力學過程。15三、總結(jié)

能源樁溫度作用下彈性性狀分析概述技術(shù)原理優(yōu)勢換熱管型樁型定義能源樁=地源熱泵+樁基礎(chǔ)利用地熱和大地恒溫特性，夏取冷源，冬取熱源灌注樁（廣泛）、預(yù)制樁、鋼樁、攪拌樁U型管（廣泛）、W型管（廣泛）、雙U型管、

并聯(lián)三U型管和螺旋管經(jīng)濟、節(jié)省用